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传热讨论题 1．污垢和流量对传热的影响 有一套管换热器，某流体走环隙，水走管内，逆流换热；工艺上要求将流量为810kg/h的此流体从120(C冷却到70(C，其比热容为cp1=3.36kJ/(kg.K)，它对管壁的传热膜系数=2326W/(m2.K)，并可视为不变。已知内管为(57×3.5mm钢管，水的初温为20(C，此换热器刚投入使用时很清洁，当流体出口温度为70(C，测得水出口温度为50(C，管壁对水的传热膜系数=873W/(m2.K)。试问： (1)由于冷却水的水质问题，管内壁结垢，使用一年后致使水的出口温度降为45(C，求内壁的污垢系数。(管壁热阻及外壁垢阻可忽略不计，管内外传热膜系数可视为不变) (2)经过技术改造，水质处理设备的故障被排除，且换热器内的水垢被清除，如果水的流量增加了73.2%，问完成规定的生产任务所需的套管换热器的有效长度为原长度的百分之几？ (3)同问题2清垢后水的流量增加了73.2%，如采用原来的换热器，则水和热流体的出口温度是否变化；如变化的话，计算它们的出口温度分别为多少？ 解： (1)解题思路：换热器使用一年后，由于水结垢，使热阻增大，总传热系数下降，单位时间内通过传热面的热量减少，使冷却水的出口温度从50(C下降到45(C；由于冷却水的用量不变，根据冷热流体的热量衡算式(在无热损失的情况下，冷流体吸收的热量等于热流体放出的热量)，所以热流体在流量不变的情况下，其出口温度上升。 原工况(结垢前)： 原工况热负荷： 冷却水用量： 现工况(结垢后)： 现工况热负荷： 现工况热流体的出口温度： 原工况：120(C(70(C 现工况：120(C(78.33(C 50(C(20(C 45(C(20(C 70 50 75 58.33 由于d2/d1=57/50=1.142，可按平壁处理 原工况：；现工况： 壁阻和管外的垢阻可忽略，得： 原工况： 现工况：，要计算R2，要先求出K’ 传热速率方程：原工况；现工况两个方程式相比得K’ (2)解题思路：此时仍认为管外的传热膜系数(1不变，管内由于水量增大，即流速u增大，Re增大，使管内的传热膜系数(2增大，从而使总传热系数K增大。由于生产任务一定，即热负荷Q=37.8kW不变，此时水量增加，导致水出口温度下降(50(C)，这样传热推动离(tm也增大，此时完成指定生产任务的传热面积A必然会减少，即套管换热器的长度缩短。 (3)解题思路：此时仍认为管外的传热膜系数(1不变，管内由于水量增大，即流速u增大，Re增大，使管内的传热膜系数(2增大，从而使总传热系数K增大。如果此时换热器不变，传热面积A不会变化，通过传热面的热流量增大，根据热量衡算式和传热速率方程，可知热流体的出口温度T’2将下降，同时水的出口温度t’2也将下降。 2．季节变化对传热的影响 在一单程列管换热器内用冷水将管内的高温气体从150(C冷却至80(C，两流体逆流流动且为湍流，气体的流量为2000kg/h，冬季冷却水的入口温度为15(C，流量为684kg/h。试计算： (1)当夏季的冷却水入口温度为25(C时，若要求气体的流量和冷却程度不变，求冷却水的用量(假设总传热系数K和冬季相同)； (2)若冬季的气体流量增加50%，而保持冷却程度不变，应如何调节操作参数并定量计算； (3)若将管程改为双程，冬季仍维持气体流量增加50%及冷却水的流量及入口温度不变，求冷却水和气体的出口温度。 解： 解题思路是以冬季工况为基准，分别求出Q、(tm、KA，当操作条件变化时，分别比较上述参数的变化趋势并定量计算。 对于气体和冷却水之间的换热，总传热系数可简化为K2((2 换热器的热负荷为： 解得冬季冷却水的出口温度为 (1)夏季情况 在夏季操作时若要求传热速率Q不变，而K2A2也近似与冬季相同，故此时必须维持夏季的(tm与冬季相同时才能完成任务。关键在于计算水的出口温度t2’， t2’可用不同方法计算。 (a)试差法 用对数平均温差法进行试差，即 试差求得夏季时冷却水的出口温度 如果，可用简化(算术平均值)计算，即： 解得 说明假设 (b)传热单元法 为了避免试差，可采用传热单元数法计算。在此情况下，气体为最小值流体，则： 由和查得 用三种方法所得的计算结果有差别，其中算术平均温度差误差最大，传热单元数最简单。 (2)冬季情况 冬季气体流量增加，若要维持冷却程度不变，可调节的操作参数是增加冷却水的流量。 由 流量改变后，总传热系数K’与原K的比值： (a) 试差法 (b) 传热单元法 由和查得 当空气流量增加50%时，冷却水流量需要增加137.9%。 (3)管程改变的情况 当管程由单程